هل حصلنا على الدماغ بشكل خاطئ؟ أظهرت دراسة جديدة أن شكله أكثر أهمية من الأسلاك

يتكون دماغ الإنسان من حوالي 86 مليار خلية عصبية ، مرتبطة بواسطة تريليونات من الوصلات. لعقود من الزمان ، اعتقد العلماء أننا بحاجة إلى رسم خريطة لهذا الاتصال المعقد بالتفصيل لفهم كيفية ظهور أنماط النشاط المنظمة التي تحدد أفكارنا ومشاعرنا وسلوكنا.

تتحدى دراستنا الجديدة ، التي نُشرت في مجلة Nature ، هذا الرأي. لقد اكتشفنا أن أنماط النشاط في الخلايا العصبية لدينا تتأثر بشكل أكبر بشكل الدماغ – أخاديده وخطوطه وطياته – أكثر من تأثره بترابطاته المعقدة.

الرأي التقليدي هو أن الأفكار أو الأحاسيس المحددة تثير نشاطًا في أجزاء معينة من الدماغ. ومع ذلك ، تكشف دراستنا عن أنماط منظمة من النشاط عبر الدماغ بأكمله تقريبًا ، تتعلق بالأفكار والأحاسيس بنفس الطريقة التي تنشأ بها النوتة الموسيقية من الاهتزازات التي تحدث على طول وتر الكمان بالكامل ، وليس مجرد جزء منعزل.

الوظيفة تتبع الشكل

اكتشفنا هذه العلاقة الوثيقة بين الشكل والوظيفة من خلال فحص الأنماط الطبيعية للإثارة التي يمكن أن يدعمها تشريح الدماغ. في هذه الأنماط ، التي تسمى “eigenmodes” ، تكون أجزاء مختلفة من الدماغ متحمسة بنفس التردد.

تأمل النوتات الموسيقية التي تعزف على وتر الكمان. تنشأ الملاحظات من الأنماط الاهتزازية المفضلة للوتر التي تحدث عند ترددات طنين محددة. هذه الأنماط المفضلة هي الأنماط الذاتية للسلسلة. يتم تحديدها من خلال الخصائص الفيزيائية للأوتار ، مثل طولها وكثافتها وشدها.

بطريقة مماثلة ، يمتلك الدماغ أنماطه المفضلة من الإثارة ، والتي تحددها خصائصه التشريحية والفيزيائية. شرعنا في تحديد الخصائص التشريحية المحددة للدماغ التي تؤثر بشدة على هذه الأنماط.

حكاية عقلين

وفقًا للحكمة التقليدية ، فإن شبكة الاتصالات المعقدة في الدماغ تنحت نشاطها بشكل أساسي.

ينظر هذا المنظور إلى الدماغ على أنه مجموعة من المناطق المنفصلة ، كل منها متخصص لوظيفة معينة ، مثل الرؤية أو الكلام. تتواصل هذه المناطق عبر ألياف متصلة تسمى محاور.

وجهة نظر بديلة ، تتجسد في نهج لنمذجة نشاط الدماغ تسمى نظرية المجال العصبي ، تتجنب هذا التقسيم للدماغ إلى مناطق منفصلة.

يركز هذا الرأي على كيفية تحرك موجات الإثارة الخلوية بشكل مستمر عبر أنسجة المخ ، مثل التموجات التي تشكلها قطرات المطر التي تسقط في البركة. مثلما يقيد شكل البركة الأنماط المحتملة التي تشكلها التموجات ، تتأثر أنماط النشاط الموجي بالشكل ثلاثي الأبعاد للدماغ.

مقارنة الرأيين

لمقارنة وجهتي النظر للدماغ ، اختبرنا مدى سهولة أن تشرح النظرة التقليدية المنفصلة والرؤية المستمرة القائمة على الموجة أكثر من 10000 خريطة مختلفة لنشاط الدماغ. تم الحصول على خرائط النشاط من آلاف تجارب التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي (fMRI) حيث أجرى الأشخاص مجموعة واسعة من المهام المعرفية والعاطفية والحسية والحركية.

اقرأ المزيد: يمكن التنبؤ بتدفق الكهرباء في الدماغ البشري باستخدام العمليات الحسابية البسيطة للشبكات ، حسبما كشفت دراسة جديدة

حاولنا وصف كل خريطة نشاط باستخدام رموز eigenmodes بناءً على اتصال الدماغ والأوضاع الذاتية بناءً على شكل الدماغ. وجدنا أن النماذج الذاتية لشكل الدماغ – وليس الاتصال – تقدم الحساب الأكثر دقة لأنماط التنشيط المختلفة هذه.

موجات الدماغ والجبال الجليدية

استخدمنا المحاكاة الحاسوبية للتأكد من أن الارتباط الوثيق بين شكل الدماغ ووظيفته مدفوع بالنشاط الموجي المنتشر في جميع أنحاء الدماغ.

اعتمدت عمليات المحاكاة على نموذج موجي بسيط يستخدم على نطاق واسع لدراسة الظواهر الفيزيائية الأخرى ، مثل الزلازل وتيارات المحيط. يستخدم النموذج شكل الدماغ فقط لتقييد كيفية تطور الموجات عبر الزمان والمكان.

على الرغم من بساطته ، أوضح هذا النموذج نشاط الدماغ بشكل أفضل من نموذج أكثر تعقيدًا وحديثًا يحاول التقاط التفاصيل الفسيولوجية الرئيسية للنشاط العصبي والنمط المعقد للاتصال بين مناطق الدماغ المختلفة.

وجدنا أيضًا أن معظم خرائط الدماغ المختلفة البالغ عددها 10000 والتي درسناها كانت مرتبطة بأنماط نشاط تمتد تقريبًا إلى الدماغ بأكمله. تتحدى هذه النتيجة مرة أخرى الحكمة التقليدية القائلة بأن النشاط أثناء المهام يحدث في مناطق منفصلة ومعزولة من الدماغ. في الواقع ، يشير هذا إلى أن الأساليب التقليدية لرسم خرائط الدماغ قد تكشف فقط عن قمة جبل الجليد عندما يتعلق الأمر بفهم كيفية عمل الدماغ.

تشير النتائج التي توصلنا إليها معًا إلى أن النماذج الحالية لوظائف الدماغ بحاجة إلى التحديث. بدلاً من التركيز فقط على كيفية مرور الإشارات بين المناطق المنفصلة ، يجب علينا أيضًا التحقيق في كيفية انتقال موجات الإثارة عبر الدماغ.

بعبارة أخرى ، قد تكون التموجات في البركة تشبيهًا أكثر ملاءمة لوظيفة الدماغ واسعة النطاق من شبكة الاتصالات السلكية واللاسلكية.

نهج جديد لرسم خرائط الدماغ

يعتمد نهجنا على قرون من العمل في الفيزياء والهندسة. في هذه المجالات ، تُفهم وظيفة النظام فيما يتعلق بالقيود التي يفرضها هيكله ، كما تتجسد في الرموز الذاتية للنظام.

لم يتم استخدام هذا النهج تقليديا في علم الأعصاب. بدلاً من ذلك ، تعتمد طرق رسم خرائط الدماغ النموذجية على إحصائيات معقدة لتحديد نشاط الدماغ دون أي إشارة إلى الأساس المادي والتشريحي الكامن وراء تلك الأنماط.

يوفر استخدام eigenmodes طريقة لاستخدام المبادئ الفيزيائية لفهم كيف تنشأ أنماط النشاط المتنوعة من تشريح الدماغ.

يقدم اكتشافنا أيضًا فوائد عملية فورية ، نظرًا لأن تحديد أنماط eigenmodes لشكل الدماغ أسهل بكثير في القياس من تلك الخاصة باتصال الدماغ.

يفتح هذا النهج الجديد إمكانيات لدراسة كيفية تأثير شكل الدماغ على الوظيفة من خلال التطور والتطور والشيخوخة وفي أمراض الدماغ.

قراءة المزيد: إلقاء الضوء على خلية عصبية واحدة ومشابك في الدماغ – 5 قراءات أساسية حول كيفية استخدام الباحثين لأدوات جديدة لتعيين هيكلها ووظيفتها